基于AD630的阻抗在线监测系统设计

丁 毅，纪青松，崔 洁

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

自20世纪90年代以来，作为IT 产业动力源的微电子产业得到了飞速发展，其中芯片封装产业变得更为重要，引线键合机在电子封装过程中有着重要的地位，引线键合技术具有生产成本低，精度高，以及焊点可靠性高等优点，成为芯片后封装的主流工艺。在键合过程中，对芯片引脚阻抗的实时监测具有十分重要的意义。交流阻抗法，是用一种以小振幅的正弦波电流或电压信号作激励对系统进行扰动，然后测定其响应信号的测量方法。交流阻抗法是在一个稳态下施加一个小的扰动，是一种准稳态方法。该方法的优点在于可避免扰动对系统产生较大的影响，使扰动与系统的响应之间保持近似的线性关系，从而使测量结果的数学处理变得简单[2-4]。

1 阻抗模型的建立及其意义

阻抗模型包含可以表示测量芯片引脚性能的大量信息，建立正确的芯片引脚阻抗模型具有重要意义。由电子学知识我们知道满足阻抗三个基本条件的电学元件只有三种：电阻、电容、电感。芯片的每一个引脚都具有特定的阻抗，或者说每个引脚具有特定的传递函数，在控制理论中研究者用传递函数来描述对物理系统的扰动与物理系统响应之间的关系，故当给每个传递函数不同的引脚施加相同的扰动后所得到的响应肯定是不同的，由此可以得到如下结论：扰动施加在每个引脚上的响应与扰动施加在阻抗无穷大的引脚上的响应是不同的，这便是阻抗模型在引线键合过程中的意义所在。可以通过对不同模型响应的变化来判断焊线是否成功，焊线不成功阻抗为无穷大，焊线成功后阻抗明显降低。图1为电阻和电容并联的阻抗谱图，图2为电阻和电感并联的阻抗谱图，图3为某芯片引脚的等效电路，图4为某芯片引脚的阻抗谱图。

图1 (RC)阻抗复平面图

图2 (RL)阻抗复平面图

图3 某芯片引脚的阻抗模型

图4 某芯片引脚阻抗谱图

2 系统结构及测量原理

在提出阻抗测量的基本思想和设计原理之后，需要对阻抗监测系统有一个总体的规划，具体表现为比较大的模块设计，阻抗测量频率的选取以及信号的大小等参数指标的设计。具体到电路的设计上，作者参考了近几年主要内阻测试电路以及原理，具体实现了扩大扰动源信号范围，增加CPLD 控制以实现多参数控制。总体规划主要模块包括四部分：

（1）信号发生模块，该模块主要产生需要的交流信号；

（2）相关运算电路模块，由AD630 实现；

（3）信号采集模块，相关运算之后产生的电压信号经过滤波和放大后输入A/D；

（4）信号处理及上下位机通信模块。

系统结构如图5所示。

图5 测量系统框架图

2.1 信号发生模块

在阻抗测量中，通常采用对被测物体施加小信号交流电流信号，测量其两端电压信号。为了准确测量阻抗，对不同的模型可能采用不同信号频率，为此设计多达5 种不同的频率，经检验能满足本常见的芯片检测。交流信号源模块通过DDS 产生正弦电压信号。DDS（Direct Digital Synthesizer）是采用数字化技术，通过控制相位的变化速度，具有低成本、高分辨率和快速转换时间等优点，可以直接产生各种不同频率信号的一种频率合成方法。DDS 的基本结构如图6所示，它主要由控制字、相位累加器、波形存储器即正弦ROM 表、D/A转换器和低通滤波器构成。

图6 DDS 原理图

AD9834 是一款75 MHz、低功耗DDS 器件，能够产生高性能正弦波和三角波输出。AD9834 提供相位调制和频率调制功能，频率寄存器为28位；时钟速率为75 MHz，可以实现0.28 Hz 的分辨率。同样，时钟速率为1 MHz 时，AD9834 可以实现0.004 Hz 的分辨率。影响频率和相位调制的方法是通过串行接口加载寄存器，然后通过FSELECT/PSELECT 引脚切换寄存器。AD9834 通过一个三线式串行接口写入数据。该串行接口能够以最高40 MHz 的时钟速率工作，并且与DSP 和微控制器标准兼容。该器件采用2.3 V 至5.5 V 电源供电。模拟和数字部分彼此独立，可以采用不同的电源供电；其具体电路如图7。

图7 AD9834 产生频率可变信号电路图

2.2 相关运算及相敏检波器

相关反映了两个函数由一定关系，如果两个函数的乘积对时间的积分不为零，则表明这两个函数相关。相关按概念分为自相关和互相关，微弱信号中一般采用抗干扰能力强的互相关检测。

放大后的参考信号为：

其中A 为放大器增益。

经被测物体后放大电压为：

其中B 为放大器增益，n(t)为噪声。电路设计如图6。

利用相关运算法进行计算，原理如下：

设X(t)是伴有噪声的周期信号，即：

其中，S(t)为有用信号，其幅值为A，角频率为ω，初相角φ，N(t)为随机噪声。

参考正弦信号为：Y(t)=B sinω(t+τ)，其中τ是时间位移。则两者的相关函数为：

由于参考信号Y(t)与随机噪声N(t)互不相关，所以Rny(τ)=0，于是有：Rxy(τ)=cos(ωt+φ)，从而得出Rxy(τ)正比于有用信号的幅值。

锁相放大器的核心部分是相敏检波器（phase-sensitive detector，简称PSD），也有称它为混频器（mixer），它实际上是一个乘法器。加在信号输入端的信号经滤波器会晤调谐放大器后加到PSD的一个输入端。在参考输入端加一个与被测信号频率相同的正弦波（或方波）信号，经触发整形和移相变成方波信号，加到PSD 的另一个输入端。

相关器采用AD 公司生产的AD630，这是一款高精度的平衡调制器，内部电阻均是高稳定度的SiCr 薄膜电阻，保证了其工作的精确性和稳定性。它的信号处理应用包括平衡调制和解调、同步检测、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大和方波乘法等。AD630 逻辑图如图8所示，其内部可以被认为是集成了两个前置放大器，一个用来选通前置放大器的精密比较器，一个作为多路选择开关以及输出级积分运算放大器。拥有高切换速度和快速稳定的线性放大器，由于比较器的响应时间快速，可使开关失真降至最低。此外，还有极低的通道间串扰。AD630 通常用于高精度的信号处理以及动态范围宽的仪器设备。在锁相放大电路中，当其用作同步解调器时，可以恢复在100 dB 噪声背景下的微弱信号，其电路连接见图9。

图8 AD630 原理图

图9 AD630 电路图

图10 AD630 输入及输出波形图

3 结果及分析

该系统在生产线已经连续使用一年时间，效果良好，起到了监控效果，图11是某芯片在焊接过程中系统监测到的阻抗变化，也可以将数据通过串口或者网口传送给上位机，更加方便的使用。

图11 芯片焊接过程系统监测图

4 结束语

本设计采用DSP 与CPLD 作为核心处理器，在数据处理上有较大优势，完全可以满足封装设备高速化的要求，且外围电路设计比较简单，可以进行系统扩展。该监测具有体积小、质量轻、智能化特性，可移植性好等优点。当然设计中存在一些问题，如：某些芯片引脚阻抗很大，超过了20 MΩ，这时候系统监测便失去了作用。一些阻抗模型中存在容性或感性成分比较明显时，高频率是有用的，但这也对系统测量带宽提出了更高的要求。

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